JP7296287B2 - 自動車用内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、電動ウォータポンプを備えた自動車用内燃機関に関するものである。

自動車用内燃機関において、冷却水は所定温度に昇温するとラジエータに送られて冷却されるようになっており、ラジエータへの通水のＯＮ・ＯＦＦは、通常はサーモ弁によって自動制御されているが、冷却水がサーモ弁を通過するに際して大きな抵抗が発生するため、動力損失が大きいという問題がある。

そこで、冷却水通路を、ラジエータが配置された第１冷却水循環通路と、車内暖房用ヒータコアが配置された第２冷却水循環通路とで構成して、それら第１冷却水循環通路と第２冷却水循環通路とにそれぞれ電動ウォータポンプを設けて、第２冷却水循環通路に設けた第２電動ウォータポンプは常に駆動する一方、第１冷却水循環通路に設けた第１電動ウォータポンプは冷却水の温度に応じて駆動することが提案されている。つまり、第１電動ウォータポンプをサーモ弁に代替させるものである。

この場合、電動ウォータポンプは遠心式のものが大半であるため、第１電動ウォータポンプを停止した状態であっても、第２電動ウォータポンプによって圧送された冷却水の一部が第１電動ウォータポンプを通過してラジエータに逆流する現象が発生し、冷却水の制御が不完全になるという問題があった。

この点について特許文献１では、ラジエータへの通水を停止すべき暖機運転状態で、第１電動ウォータポンプを毎秒数回転といったごく低い回転数で回転させることにより、冷却水の逆流を阻止することが開示されている。

特許第５５０４９５８号公報

特許文献１の技術は、理論的には、第１電動ウォータポンプの低速回転による送水圧力と逆流による圧力とを均衡させて、第１冷却水循環通路での冷却水の流れを停止させることができるが、この種の電動ウォータポンプに使用されるモータは一般的な直流電動機であるため、毎秒数回転という回転数で低速回転させることは、現実には難しいことが多い。また、第１電動ウォータポンプの駆動に電力が必要であるため、燃費にとってもマイナスである。

この点については、変速機を使用して減速したらよいと考えられるが、変速機を設けると、コストが嵩むと共に電動ウォータポンプが大型化するため、動力損失を抑制して燃費を低減させるという効果が減殺されてしまうことになる。すなわち、サーモ弁を電動ウォータポンプに変えたことの意味がなくなってしまう。

また、例えば冷却水補助通路に弁体をばねで付勢した逆止弁を設けることも考えられるが、ばねを利用した逆止弁では、第１電動ウォータポンプが駆動されている状態において、冷却水が逆止弁を通過するに際して常に圧損が発生することになり、従って、この場合も、サーモ弁を電動ウォータポンプに変更した意味がなくなってしまう。

本願発明はこのように現状を契機として成されたものであり、電動ウォータポンプを使用しつつ、簡単な構造で冷却水の逆流を防止しようとするものである。

本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドに設けたヘッドジャケットの一端部から排出された冷却水を前記ヘッドジャケットの他端部に還流させる第１冷却水循環通路と、
前記ヘッドジャケットの一端部から排出された冷却水の一部をシリンダブロックに形成されたブロックジャケットの他端部に還流させる第２冷却水循環通路と、
冷却水を前記ブロックジャケットからヘッドジャケットに流す連通路とを備えており、
前記第１冷却水循環通路には、ラジエータと第１電動ウォータポンプとを設けている一方、
前記第２冷却水循環通路には、車内暖房用ヒータコアと第２電動ウォータポンプとを設けており、
更に、前記第１冷却水循環通路のうち前記ラジエータ及び第１電動ウォータポンプよりも下流側の部位と前記ブロックジャケットの他端部とが冷却水補助通路によって接続されている」
という基本構成になっている。

そして、本願発明は、上記基本構成において、
「前記冷却水補助通路に、前記第１電動ウォータポンプが停止しているときに前記第２電動ウォータポンプによって圧送された冷却水が前記ラジエータに向けて逆流することを防止又は抑制する流れ制御部を設けている」
という特徴を有している。

そして、前記流れ制御部は、
i).前記冷却水補助通路の断面積を部分的に小さくしたオリフィスである、
ii).前記冷却水補助通路から流出した冷却水が前記第１冷却水循環通路のうち前記第１
電動ウォータポンプと反対側に向かうように、前記第１冷却水循環通路に対して前記冷却水補助通路の姿勢を傾斜させた構造である、
iii).前記冷却水補助通路に設けた膨大部とこれに移動自在に内蔵されたフリーニードル弁とで構成されて、前記膨大部の内周と前記フリーニードル弁の外周との間は通水自在であり、冷却水が前記第１冷却水循環通路に向けて流れると、前記フリーニードル弁が前記膨大部を塞ぎ、冷却水が前記第１冷却水循環通路から流れてくると、前記フリーニードル弁に設けたストッパーロッドが前記膨大部の端部に当接して冷却水の流れを許容する構造である、
のうちのいずれかになっている。

本願発明は、様々に展開することができる。その例として請求項２の発明は、
「前記ヘッドジャケットの他端部と前記第２冷却水循環通路のうち前記車内暖房用ヒータコアよりも下流側で前記第２電動ウォータポンプより上流側の部位とがバイパス通路によって接続されており、前記バイパス通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが配置されている」
という構成になっている。

本願発明では、暖機運転時には第２電動ウォータポンプのみを駆動して第１電動ウォータポンプは停止しておくことにより、暖機運転時の冷却水量を抑制して暖機時間を短縮できる。

他方、冷却水がラジエータで冷却すべき温間運転温度に昇温して第１電動ウォータポンプが駆動されると、ラジエータで冷却された冷却水がヘッドジャケットに大量に流れると共に、第１冷却水循環通路の冷却水の一部が冷却水補助通路からブロックジャケットを経由してヘッドジャケットにも流れるため、エンジンを的確に冷却できる。

また、電動ウォータポンプは、小型のものは安価であるのに対して容量が２倍になると価格は２倍以上になることが多いが、本願発明では、安価な小型品を２台使用すればよいため、全体としてのコストを抑制できる。

そして、冷却水補助通路を設けたことにより、第１電動ウォータポンプの駆動を停止している暖機運転時状態において、第１電動ウォータポンプからブロックジャケットに圧送された冷却水が冷却水補助通路に流入する現象が生じるが、本願発明では、冷却水補助通路に設けた流れ制御部によって冷却水がラジエータに向かうことを防止又は大きく抑制できるため、暖機運転時に冷却水がラジエータによって過冷却されることを防止できる。そして、第１電動ウォータポンプを駆動するものではないため、燃費が低減することもない。

このように、本願発明では、暖機運転時に、第１電動ウォータポンプを駆動することなくラジエータへの冷却水の逆流を防止又は著しく抑制できるため、温間運転域においてエンジンを適切な冷却しつつ、コストを抑制して早期暖機を実現できる。

請求項２の発明は排気ガス還流システムを備えた内燃機関に適用したものであるが、ＥＧＲクーラにおいて排気ガスから冷却水に大きな熱量の熱交換が行われるため、第１電動ウォータポンプのみを駆動している暖機運転状態において、早期暖機に大きく貢献できる。

また、バイパス通路はヘッドジャケットのうち冷却水が流入する他端部に接続されているため、昇温していない冷却水がバイパス通路に流入してＥＧＲクーラを通過する。このため、ＥＧＲガスの冷却性を向上して充填効率を向上できる。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）は第２電動ウォータポンプのみを駆動している暖機運転状態を示す図、（Ｂ）は両方の電動ウォータポンプを駆動している温間運転状態を示す図、（Ｃ）～（Ｆ）は流れ制御部の別例図であり、（Ｆ）は（Ｅ）のＦ－Ｆ視断面図である。 第２実施形態を示す図で、（Ａ）は第２電動ウォータポンプのみを駆動している暖機運転状態を示す図、（Ｂ）は両方の電動ウォータポンプを駆動している温間運転状態を示す図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後（前端部、後端部）の文言を使用するが、タイミングチェーンやクランクプーリが配置されている側を前、ミッションケースが配置されている側を後ろとしている。請求項の文言との関係では、実施形態の前端は請求項の他端になり、実施形態の後端は請求項の一端になる。

(1).第１実施形態の構造
まず、図１に示す第１実施形態を説明する。内燃機関の基本構造は従来と同様であり、機関本体の中核部材としてシリンダブロック１とその頂面にガスケット２を介して固定されたシリンダヘッド３とを備えており、冷却水通路として、シリンダブロック１にはブロックジャケット４が形成されて、シリンダヘッド３にはヘッドジャケット５が形成されている。

ブロックジャケット４とヘッドジャケット５とは、ガスケット２に形成された複数個の連通穴６によって互いに連通している。ヘッドジャケット５の後端には、集配部７を設けている。ヘッドジャケット５の前端部と集配部７とは第１冷却水循環通路８によって接続されており、この第１冷却水循環通路８に、ヘッドジャケット５を通過した冷却水を電動ファンや走行風によって冷却するラジエータ９が配置されている。

また、第１冷却水循環通路８のうちラジエータ９よりも下流側の部位に、第１電動ウォータポンプ１０を介挿している。更に、第１冷却水循環通路８のうち第１電動ウォータポンプ１０よりも下流側の部位とブロックジャケット４の前端部とが、当該第１冷却水循環通路８よりも断面積が小さい冷却水補助通路１１によって接続されている。

ヘッドジャケット５の集配部７とブロックジャケット４の前端部とは第２冷却水循環通路１２によって接続されており、この第２冷却水循環通路１２に、車内暖房用ヒータコア１３と第２電動ウォータポンプ１４とが介挿されている。第２電動ウォータポンプ１４は車内暖房用ヒータコア１３よりも下流側に配置されている。第１電動ウォータポンプ１０と第２電動ウォータポンプ１４とは、同じスペックのものを使用してもよいし、小型で容量が異なるものを使用してもよい。例えば、第１電動ウォータポンプ１０は３０Ｌ／分の小型品を使用し、第2電動ウォータポンプ１４は１０Ｌ／分の小型品を使用できる。

図示していないが、内燃機関は、制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）と冷却水温度センサとを備えており、冷却水の温度に基づいて、第１電動ウォータポンプ１０の駆動がＥＣＵによって制御される。第２電動ウォータポンプ１４の制御は、単純なＯＮ・ＯＦＦである場合と、回転数を複数段階に切り替える場合とを含んでいる。いずれにしても、暖機運転時において第２冷却水循環通路１２に要求される水量にはあまり変化はないため、第２電動ウォータポンプ１４は単純な制御が可能である。

(2).第１実施形態の作用
図において、冷却水循環通路８，１２に付した平行斜線は冷却水が流れている状態を示しており、冷却水の温度が設定温度よりも低い暖機運転状態では、（Ａ）のとおり、第１電動ウォータポンプ１０は駆動されずに第２電動ウォータポンプ１４のみが駆動されて、冷却水が第２冷却水循環通路１２を流れている。そして、暖機運転状態において冷却水の流量は少ないため、暖機時間を短縮できる。また、冷却水の早期昇温により、車内暖房用ヒータの効きもよい。

他方、冷却水の温度が設定温度以上に昇温した温間運転状態では、（Ｂ）のとおり、第１電動ウォータポンプ１０（及びラジエータ９のファン）も駆動されて、冷却水は、ラジエータ９を通過して第１冷却水循環通路８を流れている。そして、ヘッドジャケット５が特に高温になるが、第１電動ウォータポンプ１０によって圧送された冷却水は、その多くがヘッドジャケット５に流入するため、ヘッドジャケット５の冷却を確実化できる。

また、温間運転状態では、第１電動ウォータポンプ１０で圧送された冷却水の一部は、冷却水補助通路１１を経由してブロックジャケット４に流入するが、第１冷却水循環通路８を流れる冷却水はラジエータ９によって降温しているため、シリンダブロック１を的確に冷却できる。

また、温間運転状態では、冷却水通路８，１１，１２によって冷却水がブロックジャケット４及びヘッドジャケット５の前端部に圧送されるため、冷却水はヘッドジャケット５の集配部７に集まるように押しやられる。従って、冷却水はシリンダブロック１及びシリンダヘッド３を淀みなく流れて、シリンダヘッド３及びシリンダブロック１を的確に冷却できる。

他方、（Ａ）に示す暖機運転状態では、第２電動ウォータポンプ１４のみが駆動されているため、ブロックジャケット４に流入した冷却水が、点線矢印１５で示すように、補助通路１１から第１冷却水循環通路８に流入する現象が想定される。そして、特段の対策を講じていないと、第１冷却水循環通路８に流入した冷却水が第１電動ウォータポンプ１０を通過してラジエータ９に向けて逆流する現象が生じるおそれがある。

これに対して本実施形態では、冷却水補助通路１１に、流れ制御部の一例としてオリフィス１６を形成することにより、点線矢印１７で示すように、冷却水補助通路１１に流入した冷却水が第１冷却水循環通路８を経由してヘッドジャケット５に向かうように設定している。具体的な作用は次のとおりである。

さて、ブロックジャケット４とヘッドジャケット５との圧力を見ると、ブロックジャケット４のうち第２冷却水循環通路１２の出口部の箇所の圧力Ｐ０が最も高くて、ヘッドジャケット５での冷却水の圧力は、圧損によって低下している。従って、ヘッドジャケット５の前端部の圧力Ｐ１は、ブロックジャケット４の前端部での圧力Ｐ０よりも低くなっている。

他方、第１冷却水循環通路８について見ると、ヘッドジャケット５では冷却水が前端から後端に向けて流れているため、第１冷却水循環通路８の終端部には、負圧作用によって点線矢印１７で示すように引き作用が働いて、第１冷却水循環通路８の始端部には、点線矢印１８で示すような押し作用を受ける。

この場合、第１冷却水循環通路８は長さが長いため、実際には、流れ抵抗により、ヘッドジャケット５での冷却水の流れによって第１冷却水循環通路８に点線矢印１８で示す循環が生じることは殆ど無く、問題になるのは、点線矢印１９に示すように、冷却水補助通路１１に逆流した冷却水が第１電動ウォータポンプ１０を経由してラジエータ９に逆流することであるといえる。従って、冷却水の過冷却防止のためには、冷却水補助通路１１を通過した冷却水が第１電動ウォータポンプ１０に向かうことを防止することが必要である。

この点について、実施形態のように冷却水補助通路１１にオリフィス１６を形成すると、Ｐ２がＰ１よりも高いことにより、第１冷却水循環通路８の終端部に対するＰ１の引き作用と、第１冷却水循環通路８の中途部に対するＰ２の押し作用とにより、冷却水補助通路１１を通過した冷却水をヘッドジャケット５に送る循環路が形成されるため、冷却水が冷却水補助通路１１から第１電動ウォータポンプ１０に逆流することを防止できる。

この場合、Ｐ２がＰ１よりも過剰に高いと、冷却水の一部が第１電動ウォータポンプ１０に逆流する可能性があり、また、温間運転状態において冷却水補助通路１１を経由してブロックジャケット４に流れる冷却水の流量を確保し難くなるおそれがある。従って、オリフィス１６の内径は、温間運転状態での流れの確実性を考慮しつつ、暖機運転状態においてＰ２とＰ１との間に適度の圧力差が生じるように設定したらよい。

既述のとおり、第１冷却水循環通路８は長いので暖機運転状態での冷却水の順流循環は起こりにくいと解されるが、暖機運転状態での冷却水の順流循環が起こり得る場合は、ヘッドジャケット５の集配部７の圧力Ｐ４と冷却水補助通路１１の入り口での圧力Ｐ２とが均衡するようにオリフィス１６の内径をチューニングしておくと、第１冷却水循環通路８の両端の圧力差が無くなって、第１冷却水循環通路８を冷却水が流れること（順流及び逆流の両方）をしっかりと防止できる。

(3).流れ制御部の変形例
図１（Ｃ）～（Ｆ）では、流れ制御部の変形例を示している。このうち（Ｃ）に示す第１変形例では、冷却水補助通路１１の始端部１１ａを第１冷却水循環通路８の出口側に向かうように傾斜させることにより、冷却水が第１冷却水循環通路８の出口に向かうように方向付けしている。従って、始端部１１ａの傾斜姿勢が流れ制御部になっている。

また、（Ｄ）に示す第２変形例では、冷却水補助通路１１の始端部を小径部１１ｂに設定し、小径部１１ｂと第１冷却水循環通路８との接続部を、第１冷却水循環通路８に向けて拡開したテーパ部１１ｃに形成している。この例では、第１冷却水循環通路８から冷却水補助通路１１への冷却水の流入はテーパ部１１ｃによってガイドされる一方、第１冷却水循環通路８から第１冷却水循環通路８への逆流は小径部１１ｂによって抑制される。第２変形例の小径部１１ｂは、一緒のオリフィスといえる。

（Ｅ）（Ｆ）に示す第３変形例では、冷却水補助通路１１に膨大部１１ｃを形成して、その内部に自由に移動するフリーニードル弁２０を配置している。フリーニードル弁２０は通水自在なガイド筒２１によってスライド自在に保持されている。ガイド筒２１には、通水自在な底板２２が形成されており、フリーニードル弁２０に設けたストッパーロッド２３が底板２２に当たるようになっている。

この変形例では、フリーニードル弁２０に設けたストッパーロッド２３が底板２２に当たることにより、冷却水補助通路１１を冷却水が順流することが確保されている。他方、第１電動ウォータポンプ１０の駆動停止時に冷却水補助通路１１にブロックジャケット４から冷却水が逆流すると、フリーニードル弁２０が押されて膨大部１１ｃを塞ぐ。従って、冷却水が第１冷却水循環通路８に逆流することはない。

この第３変形例において、フリーニードル弁２０は冷却水の流れによって移動して所定の位置に保持されるものであり、ばねは存在しないため、圧損が生じることはない。

(4).第２実施形態
次に、図２に示す第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に適用したものであり、基本構造は第１実施形態と同じとしつつ、ヘッドジャケット５の前端部と第２冷却水循環通路１２とをバイパス通路２４で接続し、バイパス通路２４にＥＧＲクーラ２５を設けている。バイパス通路２４の終端は、第２冷却水循環通路１２のうち第２電動ウォータポンプ１４と車内暖房用ヒータコア１３との間の部位に接続されている（ヒータコア１３よりも上流側に接続してもよい。）。

この第２実施形態では、ＥＧＲクーラ２５で加温された冷却水がブロックジャケット４に還流するため、第１実施形態よりも暖機時間を短縮できるといえる。他方、温間運転状態では、ラジエータ９で冷却されて降温した冷却水がＥＧＲクーラ２５に向かうため、ＥＧＲガスを的確に冷却できる。

第２実施形態において、冷却水補助通路１１に設けたオリフィス１６の作用は第１実施形態と同じであるが、ヘッドジャケット５の前端部にバイパス通路２４が接続されていることから、Ｐ１の値は第１実施形態よりも高くなっており、従って、第１冷却水循環通路８に対するヘッドジャケット５の引き作用は第１実施形態よりも低くなっている。従って、オリフィス１６の内径を大きくしてＰ２を第１実施形態よりも低くできる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、ガスケットに多数の連通穴が空いているが、これらの連通穴の大きさを異ならせることにより、ヘッドジャケットでの冷却水の流れを制御することが可能である。

また、例えば、第２冷却水循環通路には、ＣＶＴウォーマなどの他の部材を設けることができる。また、第１及び第２の電動ウォータポンプは、例えば高速回転と中速回転とに切り替えできる構成として、冷却水の温度に応じて回転数を切り替えることも可能である。

本願発明は、電動ウォータポンプを備えた内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ ガスケット
３ シリンダヘッド
４ ブロックジャケット
５ ヘッドジャケット
６ ガスケットに形成した連通穴
８ 第１冷却水循環通路
９ ラジエータ
１０ 第１電動ウォータポンプ
１１ 冷却水補助通路
１１ａ 流れ制御部の一例を成す傾斜部
１１ｂ オリフィスとして機能する小径部
１１ｃ 流れ制御部の一例を成す膨大部
１２ 第２冷却水循環通路
１３ 車内暖房用ヒータコア
１４ 第２電動ウォータポンプ
１６ 流れ制御部の一例としてのオリフィス
２０ 流れ制御部の一例を成すフリーニードル弁
２２ ストッパーロッド

Claims (2)

1. シリンダヘッドに設けたヘッドジャケットの一端部から排出された冷却水を前記ヘッドジャケットの他端部に還流させる第１冷却水循環通路と、
   前記ヘッドジャケットの一端部から排出された冷却水の一部をシリンダブロックに形成されたブロックジャケットの他端部に還流させる第２冷却水循環通路と、
   冷却水を前記ブロックジャケットからヘッドジャケットに流す連通路とを備えており、 前記第１冷却水循環通路には、ラジエータと第１電動ウォータポンプとを設けている一方、
   前記第２冷却水循環通路には、車内暖房用ヒータコアと第２電動ウォータポンプとを設けており、
   更に、前記第１冷却水循環通路のうち前記ラジエータ及び第１電動ウォータポンプよりも下流側の部位と前記ブロックジャケットの他端部とが冷却水補助通路によって接続されている構成であって、
   前記冷却水補助通路に、前記第１電動ウォータポンプが停止しているときに前記第２電動ウォータポンプによって圧送された冷却水が前記ラジエータに向けて逆流することを防止又は抑制する流れ制御部を設けており、
   前記流れ制御部は、
   i).前記冷却水補助通路の断面積を部分的に小さくしたオリフィスである、
   ii).前記冷却水補助通路から流出した冷却水が前記第１冷却水循環通路のうち前記第１
   電動ウォータポンプと反対側に向かうように、前記第１冷却水循環通路に対して前記冷却水補助通路の姿勢を傾斜させた構造である、
   iii).前記冷却水補助通路に設けた膨大部とこれに移動自在に内蔵されたフリーニードル弁とで構成されて、前記膨大部の内周と前記フリーニードル弁の外周との間は通水自在であり、冷却水が前記第１冷却水循環通路に向けて流れると、前記フリーニードル弁が前記膨大部を塞ぎ、冷却水が前記第１冷却水循環通路から流れてくると、前記フリーニードル弁に設けたストッパーロッドが前記膨大部の端部に当接して冷却水の流れを許容する構造である、
   のうちのいずれかである、
   自動車用内燃機関。
2. 前記ヘッドジャケットの他端部と前記第２冷却水循環通路のうち前記車内暖房用ヒータコアよりも下流側で前記第２電動ウォータポンプより上流側の部位とがバイパス通路によって接続されており、前記バイパス通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが配置されている、
   請求項１に記載した自動車用内燃機関。

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